На LHC обнаружен еще один намек на нарушение Стандартной модели

Рис. 1. Один из вариантов распада B-мезона, вызванный кварковым превращением \(b\to s \ell^+\ell^-\), в котором в очередной раз обнаружились намеки на отклонения от Стандартной модели.

На днях из ЦЕРНа пришло известие о том, что еще одно измерение Большого адронного коллайдера расходится с предсказаниями Стандартной модели. Результат, обнародованный коллаборацией LHCb после более чем четырех лет анализа, действительно отличается от теоретических предсказаний, но не настолько существенно, чтобы можно было говорить об открытии. Однако самое важное здесь то, что это отклонение — не одно. Оно вписывается в ряд других аномалий в распадах B-мезонов, усиливая их коллективное расхождение со Стандартной моделью. Всё выглядит так, словно физики действительно нащупали некую «болевую точку» микромира и теперь пытаются извлечь из этого максимум информации.

Загадки прелестных мезонов

Главная задача современной физики элементарных частиц — открыть Новую физику, некий более фундаментальный пласт в описании микромира, на котором покоится Стандартная модель. Физики уверены в ее существовании, на нее указывает слишком много косвенных признаков, но надежно обнаружить прямые расхождения со Стандартной моделью пока не удается. Большой адронный коллайдер, главный инструмент современной физики частиц, нацелен именно на это. На нем ведутся сотни вариантов анализа накопленных данных в поисках достоверных указаний на трещину в нынешнем понимании того, как устроен микромир.

Мы уже неоднократно рассказывали, что поиск Новой физики можно вести не только методом «грубой силы», пытаясь напрямую породить новые тяжелые частицы, но и «хитростью», через точные измерения редких явлений. Самый популярный класс таких процессов — это распады B-мезонов, или прелестных мезонов, как их называют на физическом жаргоне. В их состав входит тяжелый b-кварк, который может распадаться на любые кварки полегче, — и это открывает огромное богатство возможностей. Все такие распады можно изучать экспериментально, и, как выяснилось в последние годы, некоторые из них преподносят сюрпризы: их вероятности или прочие характеристики заметно отличаются от предсказаний Стандартной модели.

Среди всех этих превращений особенно выделяется b → s в сопровождении мюонной или электрон-позитронной пары: \(b\to s \ell^+\ell^-\), где \(\ell^+\ell^-\) обозначает e⁺e^– или μ⁺μ^–. Конкретный пример распада B-мезона, вызванный таким кварковым превращением, показан на рис. 1. Это довольно редкий процесс, он происходит с вероятностью меньше одной миллионной. Такая малость возникает потому, что в рамках Стандартной модели не существует частицы, которая была бы способна поменять тип кварка без изменения заряда. Поэтому этот процесс идет в два этапа, b → t → s, и требует помощи тяжелых виртуальных частиц. Но раз вклад Стандартной модели так мал, то это значит, что слабые эффекты гипотетической Новой физики могут вмешаться и существенно изменить вероятность этого процесса или угловое распределение разлетающихся частиц.

За последние несколько лет, усилиями прежде всего коллаборации LHCb, в этих распадах действительно были найдены отклонения. Да, они пока не настолько статистически значимые, чтобы можно было уверенно говорить об открытии Новой физики. Но их уже накопилось несколько, и при поступлении всё новых и новых данных они не исчезают. На странице загадок коллайдера мы пристально следим за двумя из них: это сильное отличие в вероятности распадов B → K^*μμ и B_s → φμμ (примерно на 3,5σ) и один намек на нарушение лептонной универсальности слабого взаимодействия (2,6σ). Добавим также, что не менее серьезное отклонение от лептонной универсальности обнаружилось и в превращении b → c, от которого никто подобных фокусов не ожидал.

Наконец, — и это очень воодушевляющий момент! — все эти отклонения не производят впечатления чего-то беспорядочного. Измеренные величины отклоняются не куда попало, а в одном общем направлении. Более точная формулировка такова. Если теоретически «покопаться» в глубинах процесса \(b\to s \ell^+\ell^-\) и добавить в него гипотетические взаимодействия определенного типа, которые запрещены в Стандартной модели, то предсказания для всех отклоняющихся величин в целом смещаются туда, куда указывают данные. Именно эта согласованность нескольких небольших отклонений и приковывает внимание физиков в последние годы.

Новый результат

Объявленный на днях результат — это еще одно отклонение из этой же серии. 18 апреля, на семинаре в ЦЕРНе, посвященном горячим результатам с коллайдера, коллаборация LHCb рассказала о проверке лептонной универсальности в распадах \(B \to K^* \ell^+\ell^-\). Лептонная универсальность — это свойство слабого взаимодействия одинаково (универсально) действовать на лептоны разного сорта. Пусть теоретики не могут достаточно точно сосчитать вероятность распадов \(B \to K^* \mu^+\mu^-\) (он как раз показан на рис. 1) и \(B \to K^* e^+e^-\), но зато они знают, что их отношение \[ R_{K^*} = {B \to K^* \mu^+\mu^- \over B \to K^* e^+e^-} \] должно, в рамках Стандартной модели, быть очень близким к единице. Причем эта единица должна выполняться не только для полных вероятностей распадов, но и для дифференциальных, то есть в распределении по инвариантной массе лептонной пары q².

Однако LHCb обнаружила, что, по их измерениям, R_K* существенно меньше единицы (рис. 2).

Рис. 2. Отношение вероятностей распадов \(B \to K^* \mu^+\mu^-\) и \(B \to K^* e^+e^-\) для разных инвариантных масс лептонной пары. Черные точки с погрешностями — данные LHCb, цветные символы — предсказания на основе Стандартной модели, выполненные разными группами. Изображение из обсуждаемого доклада

Коллаборация измерила это отношение отдельно для малых инвариантных масс лептонных пар q² < 1 ГэВ² (то есть когда лептонная пара вылетает с большой отдачей и малым углом разлета) и для средних, вплоть до q² = 6 ГэВ² (максимум в этом процессе составляет 19 ГэВ²). В этих двух областях R_K* оказалось равным:

малые q²: \(R_{K^*} = 0{,}660^{+0,110}_{-0,070}\pm 0{,}024\), отличие от СМ на 2,2σ,
средние q²: \(R_{K^*} = 0{,}685^{+0,113}_{-0,069}\pm 0{,}047\), отличие от СМ на 2,4σ.

В обоих случаях первая из указанных погрешностей — статистическая, вторая — систематическая. То, что статистическая погрешность пока доминирует, неудивительно. Регистрировать этот процесс с электронами намного сложнее, чем с мюонами, — собственно, поэтому до сих пор не было надежного их сравнения. Экспериментаторам из LHCb удалось собрать всего несколько десятков событий с электрон-позитронной парой (против сотен — с мюонной), и именно они стали главным источником неопределенностей.

К этому результату надо сделать два важных дополнения.

Во-первых, два распада — с электронами и с мюонами — восстанавливаются детектором с очень разной эффективностью. При их измерении возникают свои характерные источники систематических погрешностей, и сравнивать их друг с другом напрямую очень непросто. Поэтому возникает резонный вопрос: почему физики так уверены, что это расхождение — не инструментальный артефакт, вызванный неидеальной регистрацией, а что-то реальное?

Ответ в том, что коллаборация LHCb провела несколько перекрестных проверок этой эффективности в других процессах, изученных намного точнее, — и всё везде было в пределах ожидаемого. Пожалуй, самый сильный аргумент — это то, что в этом анализе под рукой всегда есть опорный процесс: распад B-мезона на K* и J/ψ-мезон, причем J/ψ дальше распадается на ту же лептонную пару. Такой распад происходит в сотню раз чаще, он отлавливается тем же самым алгоритмом отбора, но в нем гарантированно нет сюрпризов, в чем для пущей надежности убедились экспериментаторы. Поэтому величина R_K* измерялась в реальности через двойное отношение:

В этом отношении сократились многие источники погрешностей, связанные и с теоретическим описанием, и с экспериментальной регистрацией, — и именно к нему относятся приведенные выше числа.

Второй момент такой. Обнародованные сейчас результаты были получены только на статистике сеанса Run 1. Набор данных завершился еще в 2012 году, но их анализ, в силу своей сложности, потребовал более четырех лет работы. Сейчас в самом разгаре сеанс Run 2, который продлится до конца 2018 года, и по его итогам будет набрано в несколько раз больше данных. Количество пойманных распадов такого типа тоже возрастет, статистические погрешности значительно уменьшатся, и отличие от СМ, если оно сохранится, станет куда более впечатляющим.

Напомним также, что два года назад LHCb сообщала об очень похожем отклонении в другой паре распадов: \(B^+ \to K^+ \ell^+\ell^-\), см. подробности в новости LHCb видит неожиданное отклонение от лептонной универсальности и на страничке Нарушение лептонной универсальности в распаде B⁺ → K⁺ll. Измеренное тогда отношение на 2,6σ отличалось от единицы, и тоже в сторону понижения. Главное различие между той работой и новым результатом LHCb в том, что K-мезоны в конце получаются разные: раньше это было обычный каон со спином 0, сейчас возбужденный каон со спином 1. Разные спины конечного мезона — это очень существенный момент, из-за него кварки по-разному складываются в адроны, а лептонная пара испускается за счет слегка иного механизма, особенно в области малых q². Как следствие, разные распады позволяют рассмотреть один и тот же таинственный кварковый процесс \(b\to s \ell^+\ell^-\) с разных углов. И тот факт, что LHCb видит одинаковые отклонения в них обоих, укрепляет уверенность, что перед нами не статистическая флуктуация, а нечто более осязаемое. Единственное, что пока непонятно, — является ли это указанием на настоящую Новую физику или на не отловленный пока прокол в анализе данных или в теоретических расчетах.

Ситуация сегодня

Итак, похоже, что совместными усилиями нескольких экспериментов, и в особенности LHCb, мы нащупали некую «болевую точку» мира элементарных частиц. Она держится уже несколько лет, не пропадает, а даже усиливается при поступлении новых данных и уточнении теоретических предсказаний. У нас уже есть несколько разных распадов B-мезонов, в которых что-то идет не так — но что именно, пока непонятно. Причем, судя по теоретическому анализу, все эти аномалии в целом согласуются друг с другом и коллективно расходятся с предсказаниями СМ на 4σ и выше, в зависимости от деталей сравнения.

Новый результат полностью вписывается в эту картину и дополнительно усиливает отклонение. С момента объявления этого результата прошли считаные дни, но в архиве электронных препринтов появилось уже свыше десятка теоретических статей, включающих это наблюдение в общий анализ. Сейчас теоретики уже говорят о совокупном отличии от СМ на уровне 5σ. В ближайшие годы ситуация продолжит обостряться. Сейчас основной источник неопределенностей — это статистические погрешности в эксперименте LHCb. Через несколько лет, когда будет обработана существенная часть статистики Run 2, эта погрешность уменьшится в пару-тройку раз — и тогда то, что сейчас кажется намеком, может перерасти в полноценное открытие. Так или иначе, благодаря эксперименту LHCb — надо сказать, единственному из экспериментов LHC, исправно поставляющему позитивные результаты! — скучно нам точно не будет.

Источник: S. Bifani (for LHCb Collaboration). Search for new physics with b → sl⁺l^– decays at LHCb // доклад на семинаре LHC Seminar 18 апреля 2017 года.

Дополнительные материалы:
1) Популярный обзор результатов LHCb.
2) LHCb finds new hints of possible deviations from the Standard Model // пресс-релиз ЦЕРНа.
3) Стандартная модель под вопросом: выполняется ли лептонная универсальность в распадах прелестных мезонов? // заметка на сайте ИЯФ СО РАН (Новосибирск).

Игорь Иванов